Творческое разрушение: изучение эволюции белков
Исследователи из Технологического института Джорджии применяют теоретическую концепцию XX века для изучения эволюции белков. Это может помочь ответить на один из древнейших вопросов: как мы стали такими, какие мы есть?
Белки — это «квалифицированные рабочие» клетки, каждый выполняет свою функцию, которая зависит от его формы. Белок начинает жизнь как длинная цепь аминокислот (полипептид). Последовательность аминокислот определяет, как цепь свернётся в сложную 3D-структуру (нативную конформацию), позволяющую выполнять задачу.
В лаборатории Лорена Уильямса (Центр происхождения жизни, COOL) используют модель «творческого разрушения» для изучения эволюции и инноваций белковых укладок. Этот термин, введённый экономистом Йозефом Шумпетером в 1940-х, описывает намеренный демонтаж устоявшегося (например, проводного телефона) для создания нового (смартфона).
«У нас есть белковые структуры, которые эволюционировали почти четыре миллиарда лет, и мы не до конца понимаем, откуда они взялись», — говорит Клаудия Альварес-Карреньо, постдок в лаборатории.
Старое уходит, новое приходит
В статье «Creative Destruction: New Protein Folds from Old» в журнале PNAS исследователи (Альварес-Карреньо, Уильямс, Рохан Гупта, Антон Петров) изучили глубокую эволюционную историю трансляционного аппарата (рибосомы) — места рождения всех белков.
Они обнаружили, что комбинация двух белков, свернувшихся в разные 3D-структуры, может легко образовать новую структуру. «Возможно, переход от одной структуры к другой не так сложен, как мы думали. И это может объяснить разнообразие белковых структур, которое мы видим сегодня», — говорит Уильямс.
В модели Шумпетера «дочерние продукты» (например, смартфон) наследуют черты предков (телефон, компьютер, камера), но создают новые функциональные ниши, недоступные предкам. «Творческое разрушение белковых укладок может объяснить многое из наблюдаемого нами разнообразия», — считает Уильямс.
Молекулярные слияния
С момента появления простейших древних белковых укладок миллиарды лет назад их количество расширилось, сформировав современное разнообразие. Но ключевые вопросы остаются: как возникли укладки, что привело к их разнообразию и почему за ~4 млрд лет эволюции появилось менее 2000 различных укладок?
Исследователи полагают, что творческое разрушение может это объяснить. В этой модели один открытый рамка считывания (участок ДНК, кодирующий белок) сливается с другим, производя слияние полипептидов. Это слияние заставляет двух предков принять новую структуру, недоступную каждому из них по отдельности до слияния. Дочерняя укладка наследует некоторые черты предковой.
Связь с болезнями и фундаментальные вопросы
Модель может иметь значение для изучения болезней. Неправильный фолдинг белков может влиять на здоровье клеток и человека.
«Например, этот процесс важен в биологии рака — множество белков слились и, как мы полагаем, перестроились при раке. Есть также мир болезней агрегации белков, таких как Паркинсон или Альцгеймер, где белки свернулись неправильно или перестроились», — отмечает Уильямс.
Сейчас команда больше всего заинтересована в том, как модель творческого разрушения помогает понять глубочайшие вопросы нашей эволюции. «Например, откуда мы взялись. Творческое разрушение может помочь нам понять, откуда взялись белки в нашем теле и как мы стали такими, какие мы есть», — заключает Уильямс.